Công trình của Benjamin List và David WC MacMillan cho phép các nhà khoa học sản xuất các phân tử với chi phí rẻ, hiệu quả và an toàn, đồng thời giảm thiểu chất thải độc hại. Đây là ngày thứ hai liên tiếp giải Nobel được trao cho nghiên cứu có ý nghĩa lớn đối với môi trường. Giải Nobel Vật lý năm nay đã mở rộng nghiên cứu của chúng tôi về hiểu biết về biến đổi khí hậu.

Giải Nobel Hóa học được trao cho nghiên cứu tập trung vào cấu tạo phân tử. Quá trình này đòi hỏi các phân tử phải liên kết với nhau theo một trật tự đặc biệt, đây là một nhiệm vụ khó khăn và chậm chạp. Trước thế kỷ 21, các nhà hóa học chỉ có hai chất xúc tác để tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình này, đó là việc sử dụng các enzym hoặc kim loại phức tạp.

Tất cả điều này đã thay đổi khi các nhà nghiên cứu List tại Viện Max Planck ở Đức và MacMillan tại Đại học Princeton ở New Jersey báo cáo rằng các phân tử hóa học nhỏ có thể được sử dụng để thúc đẩy các phản ứng hóa học. Các công cụ mới rất cần thiết cho việc phát triển thuốc và giảm thiểu các vấn đề sản xuất thuốc, bao gồm cả các tác dụng phụ có hại tiềm tàng. Johan Åqvist, chủ tịch Ủy ban Nobel, mô tả phương pháp này là “đơn giản nhưng không kém phần độc đáo. Thực tế, nhiều người thắc mắc tại sao chúng tôi không nghĩ đến nó sớm hơn.”

Trong một cuộc họp báo tại Đại học Princeton, Macmillan chia sẻ rằng anh dự định học vật lý giống như anh trai của mình. Nhưng lớp học vật lý đại học bắt đầu lúc 8 giờ trong một phòng học lạnh và ẩm ướt ở Scotland, và lớp học hóa học bắt đầu ở một nơi khô ráo, ấm áp hai giờ sau đó. Ông nói rằng khi nghĩ đến một quy trình sản xuất hóa chất đòi hỏi nhiều biện pháp an toàn như một nhà máy điện hạt nhân, ông đã lấy cảm hứng từ nghiên cứu đoạt giải Nobel.

Nếu MacMillan có thể tìm ra cách sản xuất thuốc nhanh hơn bằng một phương pháp hoàn toàn khác mà không cần đến chất xúc tác kim loại, thì quá trình này sẽ an toàn hơn cho người lao động và hành tinh. List chia sẻ rằng ban đầu anh không biết rằng MacMillan cũng đang làm việc với chủ đề tương tự và nghĩ rằng công việc của chính mình chỉ là một “ý tưởng ngu ngốc” cho đến khi phương pháp này tỏ ra hiệu quả.

HN Cheng, chủ tịch Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ, cho biết hai học giả đã phát triển một “cây đũa thần mới”. Trước đây, chất xúc tác tiêu chuẩn thường được sử dụng là kim loại, gây ra nhiều ảnh hưởng xấu đến môi trường về tích tụ, rò rỉ và độc hại. Chất xúc tác đầu tiên được phát triển bởi MacMillan và List là một hợp chất hữu cơ phân hủy nhanh hơn và chi phí thấp hơn.

Danh sách của Benjamin

Benjamin List sử dụng kháng thể xúc tác. Thông thường, các kháng thể bám vào vi rút hoặc vi khuẩn lạ trong cơ thể, nhưng nhóm nghiên cứu tại Viện Nghiên cứu Scripps ở California đã thiết kế lại chúng để chúng có thể thúc đẩy các phản ứng hóa học.

Khi sử dụng kháng thể xúc tác, List bắt đầu suy nghĩ về cách thức hoạt động của các enzym. Chúng thường là những phân tử khổng lồ bao gồm hàng trăm axit amin. Ngoại trừ axit amin, hầu hết các enzym đều chứa kim loại giúp thúc đẩy các quá trình hóa học. Nhưng nhiều enzym xúc tác các phản ứng hóa học mà không cần sự trợ giúp của kim loại. Thay vào đó, phản ứng được điều khiển bởi một hoặc một vài axit amin trong enzym. Câu hỏi khiến Lister đau đầu là liệu các axit amin có cần phải có mặt trong các enzym để xúc tác các phản ứng hóa học hay không. Hay chỉ là một axit amin tương tự khác hoặc phân tử đơn giản để đạt được hiệu quả tương tự?

List biết rằng đã có một nghiên cứu vào đầu những năm 1970 sử dụng một axit amin gọi là proline làm chất xúc tác, nhưng thí nghiệm đã diễn ra cách đây hơn 25 năm. Nếu proline thực sự là một chất xúc tác hiệu quả, liệu có ai tiếp tục nghiên cứu nó không? List tin rằng lý do không ai tiếp tục nghiên cứu hiện tượng này là do hợp chất không hiệu quả.

Trong trường hợp không có bất kỳ kỳ vọng nào, List đã kiểm tra xem proline có thể xúc tác phản ứng aldol hay không, trong đó các nguyên tử carbon từ hai phân tử khác nhau được liên kết với nhau. Điều thú vị là phương pháp này có hiệu lực ngay lập tức chỉ sau một lần thực hiện. Thông qua các thí nghiệm của mình, List không chỉ chứng minh được rằng proline là một chất xúc tác hiệu quả mà axit amin này còn có thể thúc đẩy quá trình xúc tác không đối xứng. Trong quá trình cấu tạo phân tử, người ta thường hình thành hai phân tử khác nhau. Các nhà hóa học thường chỉ muốn một trong số chúng, đặc biệt là khi sản xuất thuốc.

Không giống như các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm proline như một chất xúc tác, List hiểu được tiềm năng to lớn của loại axit amin này. So với các kim loại và enzyme, proline là một công cụ thèm muốn của các nhà hóa học. Đây là một phân tử rất đơn giản, rẻ và thân thiện với môi trường. Khi khám phá này được công bố vào tháng 2 năm 2000, List đã mô tả sự xúc tác không đối xứng của các phân tử hữu cơ là một khái niệm mới với nhiều cơ hội. Tuy nhiên, ông không phải là người duy nhất nghiên cứu chủ đề này. Trong một phòng thí nghiệm ở California, David McMillan cũng có một mục tiêu tương tự.

David McMillan

Vào tháng 7 năm 1998, David McMillan chuyển từ Đại học Harvard đến Đại học California, Berkeley. Tại Harvard, ông đã nghiên cứu cách cải thiện xúc tác không đối xứng kim loại. Đây là một lĩnh vực thu hút rất nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu. Nhưng MacMillan chỉ ra rằng những chất xúc tác này hiếm khi được sử dụng trong công nghiệp. Ông bắt đầu suy nghĩ về lý do và nhận thấy rằng kim loại nhạy cảm này quá khó sử dụng và đắt tiền. Việc tạo ra môi trường không có ôxy và không có độ ẩm cần thiết cho một số chất xúc tác kim loại trong phòng thí nghiệm là tương đối đơn giản, nhưng lại vô cùng phức tạp để thực hiện sản xuất công nghiệp quy mô lớn trong những điều kiện như vậy.

MacMillan kết luận rằng để các công cụ hóa học mà ông phát triển trở nên hữu ích, ông cần phải suy nghĩ lại. Vì vậy, khi chuyển đến Berkeley, McMillan đã từ bỏ việc học kim loại của mình. Thay vào đó, ông bắt đầu thiết kế các phân tử hữu cơ đơn giản có thể tạm thời cung cấp hoặc chứa các electron như kim loại. Các phân tử hữu cơ là những phân tử cấu tạo nên mọi sinh vật và có một bộ xương ổn định được cấu tạo bởi các nguyên tử cacbon. Các nhóm hoạt động hóa học được gắn vào khung carbon này, chúng thường chứa oxy, nitơ, lưu huỳnh hoặc phốt pho.

Các phân tử hữu cơ chứa các nguyên tố đơn giản và phổ biến, nhưng tùy thuộc vào sự kết hợp, chúng có thể có các tính chất phức tạp. Kiến thức về hóa học đã giúp MacMillan biết rằng để một phân tử hữu cơ xúc tác phản ứng mong muốn, nó cần có khả năng hình thành một ion imine, trong đó có một nguyên tử nitơ rút điện tử.

MacMillan đã chọn một số phân tử hữu cơ có đặc tính phù hợp, sau đó kiểm tra khả năng thúc đẩy phản ứng Diels-Alder của chúng. Các nhà hóa học thường sử dụng phản ứng này để tạo ra một vòng nguyên tử cacbon. Đúng như anh ấy mong đợi, phương pháp này đã hiệu quả. Một số phân tử hữu cơ cũng rất hiệu quả dưới xúc tác không đối xứng. Vào tháng 1 năm 2000, ngay trước khi List công bố khám phá, MacMillan đã gửi một bài báo mô tả nghiên cứu cho một tạp chí khoa học.

Nghiên cứu đã đoạt giải Nobel năm 2021, và hai nhà khoa học nhận được giải thưởng 10 triệu kronor (1,16 triệu USD).

Mắt cá chân (theo dõi Phys.org)